blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-10-774-781blackmet-1734Research ArticleРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИRESOURCE SAVING IN FERROUS METALLURGYМИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОТВАЛЬНЫХ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВMINERAL COMPOSITION OF DUMP BLAST FURNACE SLAGХоботоваЭ. Б.KhobotovaE. B.

д.х.н., профессор кафедры технологии дорожно-строительных материалов и химии

61000, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Dr. Sci. (Chem.), Professor of the Chair of Road Construction Material Technologies and Chemistry

elinahobotova@gmail.comИгнатенкоМ. И.IgnatenkoM. I.

к.т.н., доцент кафедры технологии дорожно-строительных материалов и химии

61000, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Road Construction Material Technologies and Chemistry

chemistry@khadi.kharkov.uaСторчакО. Г.StorchakO. G.

к.ф.н., доцент кафедры иностранных языков

61000, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Philology), Assist. Professor of the Chair of Foreign Languages

storchak.oleg@gmail.comКалюжнаяЮ. С.KalyuzhnayaYu. S.

к.т.н., доцент кафедры технологии дорожно-строительных материалов и химии

61000, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Road Construction Material Technologies and Chemistry

ГрайворонскаяИ. В.GraivoronskayaI. V.

к.т.н., доцент кафедры метрологии и безопасности жизнедеятельности 

61000, Харьков, ул. Ярослава Мудрого, 25

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Metrology and Life Safety

inna_gra@ukr.netХарьковский национальный автомобильно-дорожный университетУкраинаKharkov National Automobile and Highway UniversityUkraine2019021120196210774781Copyright © Хоботова Э.Б., Игнатенко М.И., Сторчак О.Г., Калюжная Ю.С., Грайворонская И.В., 20192019Хоботова Э.Б., Игнатенко М.И., Сторчак О.Г., Калюжная Ю.С., Грайворонская И.В.Khobotova E.B., Ignatenko M.I., Storchak O.G., Kalyuzhnaya Y.S., Graivoronskaya I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1734

Промышленные отходы, скапливающиеся в отвалах, во многих случаях обладают ценными техническими свойствами, поэтому их  можно рассматриваться как вторичные ресурсы. Изучение свойств и модификации шлаков в различных условиях требует комплексного  подхода,  включающего  рентгенофазовый,  электронно-микроскопический  и  петрографический  анализы.  Цель  исследований  –  на  основе выбранных экспериментальных методов обосновать ресурсную ценность отвального доменного шлака ПАО «Запорожсталь».  Рентгенофазовый анализ позволил выявить минералы доменных шлаков, находящиеся в кристаллическом состоянии: ранкинит 3CaO·2SiO2 ,  кварц SiO2 , геленит 2CaO·Al2O3·SiO2 , бредигит α-2CaO·SiO2 , окерманит 2CaO·MgO·2SiO2 , псевдоволластонит α-CaO·SiO2 . Минералы  окерманит, бредигит, псевдоволластонит ценны в техническом отношении при производстве вяжущих материалов, так как обладают  гидравлической активностью. Содержание гидравлически активных минералов увеличивается с укрупнением частиц шлака, достигая  максимального значения 40 % для крупных частиц шлака. Рассчитана массовая доля стеклообразного компонента, составляющая половину  массы доменного шлака. Присутствие аморфных фаз свидетельствует о повышенной сорбционной и химической активности шлака, что  важно с позиций использования шлака в производстве вяжущих веществ. В крупной фракции шлака массовый вклад аморфного состояния  вещества немного выше. Микрофотографии поверхности частиц доменного шлака свидетельствуют о высокой степени разрыхления  с  присутствием игольчатых и пластинчатых кристаллов, что обусловливает сорбционные свойства шлака. Отвальный доменный шлак ПАО  «Запорожсталь» можно рекомендовать в производстве вяжущих веществ (портландцемента и шлакопортландцемента) по совокупности  химических показателей: высокая концентрация гидравлически активных минералов и аморфной фазы, высокоразвитая поверхность  шлаковых частиц, наличие сорбционной поверхностной активности.

Industrial wastes, accumulating in a dumping ground, have useful technical properties in many cases, so they can be considered as  secon dary resources. The investigation of slag properties and modifications in different conditions needs a complex approach that includes X-ray phase, electron microscopic and petrographic analyses.  The research aim is to substantiate the resource value of Zaporozhstal  PJSC dump blast furnace slag on the basis of chosen experimental  methods. X-ray phase analysis allows us to discover the minerals of  blast furnace slag that are crystalline: rankinite 3CaO·2SiO2 , quartz  SiO2 , helenite 2CaO·Al2O3·SiO2 , bredigite α-2CaO∙SiO2 , okermanite  2CaO·MgO·2SiO2 and pseudowollastonite α-CaO·SiO2 . The minerals  okermanite, bredigite and pseudowollastonite are technically useful to  produce binders as they are hydraulically active. The mass fraction  of a vitreous component, which composes half of blast furnace slag  mass of Zaporozhstal PJSC, was computed. Amorphous phases testify  on the higher sorption and chemical slag activation that are important  in terms of the use of slag to produce binders. The mass contribution  of amorphous substance state is slightly higher in large fraction slag.  Microphotographs of the surfaces of blast furnace slag particles show  high loosening degree and needle-shaped and lamellar crystallines that  stipulate sorption properties of the slag. The dump blast furnace slag of  Zaporozhstal PJSC can be recommended to produce binders – Portland  cement and Portland slag cement – at totality of chemical parameters:  high concentration of hydraulically active minerals and amorphous  phase, highly developed surface of slag particles and surface sorption  activation.

отвальный доменный шлак химический состав минералы аморфная фаза сорбционные свойства гидравлическая активность  вяжущие веществаfurnace  slag  chemical  composition  minerals  amorphous  phase sorption properties hydraulic activity particle surface morphology bindersReferencesDas B., Prakash S., Misra V.N. An overview of utilization of slag and sludge from steel industries // Resources Conservation and Recycling. 2007. Vol. 50. No. 1. P. 40 – 57.Das B., Prakash S., Misra V.N. An overview of utilization of slag  and sludge from steel industries. Resources Conservation and Recycling. 2007, vol. 50, no. 1, pp. 40–57.  Шлипхаке Х., Эндеман Г. Ресурсосбережение и циркуляционная экономика // Черные металлы. 2017. № 3. С. 58 – 64.Shlipkhake Kh., Endeman G. Resource saving and circulation economics. Chernye metally. 2017, no. 3, pp. 58–64. (In Russ.).Mohit J. Use and properties of blast furnace slag as a building material // International Journal of Recent Contributions from Engineering, Science & IT (iJES). 2014. Vol. 2. No. 4. P. 54 – 60.Mohit J. Use and properties of blast furnace slag as a building material. International Journal of Recent Contributions from Engineering, Science & IT (iJES). 2014, vol. 2, no. 4, pp. 54–60.Salman M., Dubois M., Di Maria A., Van Acker K., Van Balen K. Construction materials from stainless steel slags: technical aspects, environmental benefits and aconomic opportunities // Journal of Industrial Ecology. 2016. Vol. 20. No. 4. P. 854 – 866.Salman M., Dubois M., Di Maria A., Van Acker K., Van Balen K.  Construction materials from stainless steel slags: technical aspects,  environmental benefits and economic opportunities. Journal of Industrial Ecology. 2016, vol. 20, no. 4, pp. 854–866.Borges Marinho A.L., Mol Santos C.M., Carvalho de J.M.F., Mendes Ju.C., Brigolini G.J., Fiorotti Peixoto R.A. Ladle furnace slag as binder for cement-based composites // Journal of Materials in Civil Engineering. 2017. Vol. 29. No. 11. P. 849 – 861.Borges  Marinho  A.L.,  Mol  Santos  C.M.,  Carvalho  de  J.M.F.,  Mendes Ju.C., Brigolini G.J., Fiorotti Peixoto R.A. Ladle furnace  slag as binder for cement-based composites. Journal of Materials in Civil Engineering. 2017, vol. 29, no. 11, pp. 849–861. Kambole C., Paige-Green P., Kupolati W.K., Ndambuki J.M., Adeboje A.O. Basic oxygen furnace slag for road pavements: A review of material characteristics and performance for effective utilisation in southern Africa // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 148. P. 618 – 631.Kambole C., Paige-Green P., Kupolati W.K., Ndambuki J.M., Adeboje A.O. Basic oxygen furnace slag for road pavements: A review  of material characteristics and performance for effective utilization  in Southern Africa. Construction and Building Materials. 2017,  vol.  148, pp. 618–631. Sajedi F., Razak H.A. The effect of chemical activators on early strength of ordinary Portland. Cement-slag mortars // Construction and Building Materials. 2010. Vol. 24. No. 10. P. 1944 – 1951.Sajedi F., Razak H.A. The effect of chemical activators on early  strength of ordinary Portland. Cement-slag mortars. Construction and Building Materials. 2010, vol. 24, no. 10, pp. 1944–1951. Raia A., Prabakarb J., Rajub C.B., Morchalleb R.K. Metallurgical slag as a component in blended cement // Construction and Building Materials. 2002. Vol. 16. No. 8. P. 489 – 494.Raia A., Prabakarb J., Rajub C.B., Morchalleb R.K. Metallurgical  slag as a component in blended cement. Construction and Building Materials. 2002, vol. 16, no. 8, pp. 489–494. Escalante-Garcia J.I., Espinoza-Perez L.J., Gorokhovsky A., Gomez-Zamorano L.Y. Coarse blast furnace slag as a cementitious material, comparative study as a partial replacement of Portland cement and as an alkali activated cement // Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23. No. 7. P. 2511 – 2517.Escalante-Garcia J.I., Espinoza-Perez L.J., Gorokhovsky A., Gomez-Zamorano L.Y. Coarse blast furnace slag as a cementitious  material, comparative study as a partial replacement of Portland cement and as an alkali activated cement. Construction and Building Materials. 2009, vol. 23, no. 7, pp. 2511–2517.Shanahan N., Markandeya A. Influence of slag composition on cracking potential of slag-portland cement concrete // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 164. No. 3. P. 820 – 829.Shanahan N., Markandeya A. Influence of slag composition on  cracking potential of slag-portland cement concrete. Construction and Building Materials. 2018, vol. 164, no. 3, pp. 820–829.Qiang W., Peiyu Ya. Hydration properties of basic oxygen furnace steel slag // Construction and Building Materials. 2010. Vol. 24. No. 7. P. 1134 – 1140.Qiang W., Peiyu Ya. Hydration properties of basic oxygen furnace  steel slag. Construction and Building Materials. 2010, vol. 24,  no.  7, pp. 1134–1140.Chen W., Brouwers H.J.H. The hydration of slag, part 2: reaction models for blended cement // J. Mater Sci. 2007. Vol. 42. No. 2. P. 444 – 464.Chen W., Brouwers H.J.H. The hydration of slag, part 2: reaction models for blended cement. J. Mater Sci. 2007, vol. 42, no. 2,  pp.  444–464. Bellmann F., Stark J. Activation of blast furnace slag by a new method // Cement and Concrete Research. 2009. Vol. 39. No. 8. P. 644 – 650.Bellmann F., Stark J. Activation of blast furnace slag by a new  method.  Cement and Concrete Research. 2009, vol. 39, no. 8,  pp.  644–650.Black L., Ogirigbo O. Influence of slag composition and tempe rature on the hydration and microstructure of slag blended cements // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 126. No. 11. P. 496 – 507.Black L., Ogirigbo O. Influence of slag composition and temperature on the hydration and microstructure of slag blended cements.  Construction and Building Materials.  2016,  vol.  126,  no.  11,  pp.  496–507.Schuldyakov K.V., Kramar L.Ya., Trofimov B.Ya.The properties of slag cement and its influence on the structure of the hardened cement paste // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 1433 – 1439.Schuldyakov K.V., Kramar L.Ya., Trofimov B.Ya. The properties  of slag cement and its influence on the structure of the hardened cement paste. Procedia Engineering. 2016, vol. 150, pp. 1433–1439.Pribulová A., Futáš P., Baricová D. Processing and utilization of metallurgical slags // Production Engineering Archives. 2016. Vol. 11. No. 2. P. 2 – 5.Pribulová A., Futáš P., Baricová D. Processing and utilization of  metallurgical slags. Production Engineering Archives. 2016, vol. 11,  no. 2, pp. 2–5.Criado M., Ke X., Provis J., Bernal S.A. Alternative inorganic binders based on alkali-activated metallurgical slags. In: Sustainable and Nonconventional Construction Materials using Inorganic Bonded Fiber Composites. 2017. P. 185 – 220.Criado M., Ke X., Provis J., Bernal S.A. Alternative inorganic binders based on alkali-activated metallurgical slags. In: Sustainable and Nonconventional Construction Materials using Inorganic Bonded Fiber Composites. 2017, pp. 185–220. Трофимов Б.Я., Шулдяков К.В. О применении малоактивного доменного гранулированного шлака // Архитектура, градостроительство и дизайн. 2015. № 6. C. 37 – 45.Trofimov B.Ya., Shuldyakov K.V. On the use of inactive blast furnace granulated slag. Arkhitektura, gradostroitel’stvo i dizain. 2015,  no. 6, pp. 37–45. (In Russ.).Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 152. No. 2. P. 805 – 811.Tsakiridis P.E., Papadimitriou G.D., Tsivilis S., Koroneos C. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials. 2008, vol. 152, no. 2, pp. 805–811. Zeynep I., Prezzi Y., Prezzi M. Chemical, mineralogical and morphological properties of steel slag // Advances in Civil Engineering. 2011. Vol. 2011. Article ID 463638. 13 p.Zeynep I., Prezzi Y., Prezzi M. Chemical, mineralogical and morphological properties of steel slag. Advances in Civil Engineering.  2011, vol. 2011, article ID 463638, 13 p.Zhu G., HaoY., Xia C., Zhang Y., Hu T., Sun S. Study on cementitious properties of steel slag // Journal of Mining and Metallurgy B: Metallurgy. 2013. Vol. 49. No. 2. P. 217 – 224.Zhu G., HaoY., Xia C., Zhang Y., Hu T., Sun S. Study on cementitious properties of steel slag. Journal of Mining and Metallurgy B: Metallurgy. 2013, vol. 49, no. 2, pp. 217–224.Navarro C., Díaz M., Villa-García M.A. Physico-chemical characterization of steel slag. Study of its behavior under simulated environmental conditions // Environ. Sci. Technol. 2010. Vol. 44. No. 14. P. 5383 – 5388.Navarro C., Díaz M., Villa-García M.A. Physico-chemical characterization of steel slag. Study of its behavior under simulated environmental conditions. Environ. Sci. Technol. 2010, vol. 44, no. 14,  pp. 5383–5388.А.с. № 34221 UA. Методика визначення корисних властивостей промислових відходів з метою їх утилізації в якості технічних матеріалів / Е.Б. Хоботова, М.І. Уханьова. Дата реєстрації 23.07.10.Khobotova E.B., Ukhan’ova M.І. Metodyka vyznachennya korysnykh vlastyvostei promyslovykh vidkhodiv z metoyu yikh utylizatsiyi v yakosti tekhnichnykh materialiv [Methods for determining useful  properties of industrial wastes in regard of their disposal as technical materials]. Certificate of authorship UA no. 34221. Byulleten′ izobretenii. 2010, no. 22. (In Ukr.).Радиационно-гигиеническая оценка строительных материалов, используемых в гражданском строительстве УССР. Киев, 1987. – 21 с.Radiatsionno-gigienicheskaya otsenka stroitel’nykh materialov, ispol’zuemykh v grazhdanskom stroitel’stve USSR [Radiation-hygienic assessment of building materials used in civil engineering of the  Ukrainian SSR]. Kiev, 1987, 21 p. (In Russ.).Бокий Г.Б., Порай-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ. Т. 1. – М.: Изд-во МГУ, 1964. – 492 с.Bokii G.B., Porai-Koshits M.A. Rentgenostrukturnyi analiz. T. 1.  [X-ray structural analysis. Vol. 1]. Мoscow: Izd-vo MGU, 1964,  492 p. (In Russ.).JCPDS PDF-1 File. ICDD: The International Centre for Diffraction Data, release 1994. PA, USA. URL: http://www.icdd.com. – Title screen. (дата обращения: 20.06.2018)JCPDS PDF-1 File. ICDD: The International Centre for Diffraction Data, release 1994. PA, USA. Available at URL: http://www. icdd.com. – Title screen. (Accessed: 26.06.2018).Rodriguez-Carvajal J., Roisnel T. Juan Rodriguez-Carvajal. FullProf. 98 and WinPLOTR New Windows 95/NT Applications for Diffraction // Extended software/methods development: International Union of Crystallography: Newsletter. 1998. No. 20. P. 35, 36.Rodriguez-Carvajal J., Roisnel T. Juan Rodriguez-Carvajal. FullProf. 98 and WinPLOTR New Windows 95/NT Applications for  Diffraction. Extended software/methods development: International Union of Crystallography: Newsletter. 1998, no. 20, pp. 35, 36. Перепелицын В.А. Основы технической минералогии и петрографии. – М.: Недра, 1987. – 255 с.Perepelitsyn V.A. Osnovy tekhnicheskoi mineralogii i petrografii [Fundamentals of technical mineralogy and petrography]. Мoscow:  Nedra, 1987, 255 p. (In Russ.).А.с. № 60123 UA. Методика расчета массовой доли аморфного состояния минералов отвальных доменных шлаков / Э.Б. Хоботова, В.И. Ларин, Ю.С. Калмыкова, А.А. Рязанцев. Дата регистрации 30.07.15.Khobotova E.B., Larin V.I., Kalmykova Yu.S., Ryazantsev A.A.  Metodika rascheta massovoi doli amorfnogo sostoyaniya mine ralov otval’nykh domennykh shlakov [Methodology for calculating mass  fraction of amorphous state of minerals of dump blast furnace slag].  Certificate of authorship UA no. 60123. Byulleten′ izobretenii. 2015,  no. 37.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.